KR101067941B1 - Optical system - Google Patents

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KR101067941B1
KR101067941B1 KR1020097015106A KR20097015106A KR101067941B1 KR 101067941 B1 KR101067941 B1 KR 101067941B1 KR 1020097015106 A KR1020097015106 A KR 1020097015106A KR 20097015106 A KR20097015106 A KR 20097015106A KR 101067941 B1 KR101067941 B1 KR 101067941B1
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사또시 마에까와
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도쿠리츠 교세이 호진 죠호 츠신 켄큐 키코
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Abstract

현실에는 거울이 존재하지 않는 공간에 피투영물을 거울에 비춘 경우와 마찬가지의 상을 결상시킨다고 하는, 참신한 결상 방식을 갖는 광학 시스템을, 광을 굴곡시키면서 투과시켜 면 대칭 위치로 실상의 결상 작용을 갖는 광선 굴곡면과, 이 광선 굴곡면을 향하여 배치되는 경면을 구비하는 광학 시스템으로서, 광선 굴곡면을 사이에 두고 경면과는 반대측인 관찰측에 배치한 피투영물의 상을, 피투영물로부터 발해지는 광이 광선 굴곡면을 투과하여 경면에 반사되어 다시 광선 굴곡면을 투과함으로써 경면의 광선 굴곡면에 대한 면 대칭 위치로 이동시킨 실체가 없는 가상 거울에 비춘 위치에 결상시키도록 구성했다.In reality, an optical system having a novel imaging method, which forms an image similar to the case of projecting a projected object onto a mirror in a space where no mirror exists, has an image forming action in a plane symmetrical position by transmitting light while bending it. An optical system having a light beam curved surface and a mirror surface disposed toward the light beam curved surface, wherein the light emitted from the projected object is provided with an image of a projected object disposed on an observation side opposite to the mirror surface with the beam curved surface interposed therebetween. It was configured to be imaged at a position reflected on the virtual mirror without the substance that penetrated the light curved surface, reflected by the mirror surface, and then transmitted again through the light curved surface.

피투영물, 결상, 면 대칭 위치, 광선 굴곡면, 경면 Projection, Imaging, Face Symmetry Position, Ray Bend Surface, Mirror Surface

Description

광학 시스템 {OPTICAL SYSTEM}Optical system {OPTICAL SYSTEM}

본 발명은, 광의 투과나 반사를 이용한 거울과 같이 기능하는 신규의 광학 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a novel optical system that functions like a mirror using light transmission or reflection.

평면 거울에 상을 비출 경우, 관찰자의 눈에는 거울의 표면에 있어서의 반사광의 광선을 거울 안으로 연장된 방향으로부터 광이 온 것처럼 보이기 때문에 평면 거울에 비추어진 상(거울 영상)은 거울의 내부에 허상으로서 결상된다(예를 들어, 비특허 문헌1 참조).When an image is projected onto a planar mirror, the image (mirror image) projected onto the planar mirror is a virtual image inside the mirror because the observer's eye appears to be coming from the direction in which the reflected light on the surface of the mirror extends into the mirror. It forms as an image (for example, refer nonpatent literature 1).

<비특허 문헌1> "Virtual image (허상)"의 항, [online], WIKIPEDIA(영어판), [2006년 10월 23일 검색], 인터넷<URL:http://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_image><Non-Patent Document 1> Clause of "Virtual image", [online], WIKIPEDIA (English version), [October 23, 2006 search], Internet <URL: http: //en.wikipedia.org/wiki / Virtual_image>

평면 거울에 비추어진 거울 영상은, 경면에 대하여 물체(피투영물)와 면 대칭의 관계에 있는 거울의 내부에서 결상되어 있기 때문에, 관찰자가 손을 뻗거나 하여 상으로의 액세스를 실현하는 것은 불가능하다.Since the mirror image reflected on the planar mirror is formed inside the mirror which is in a plane symmetrical relationship with the object (projected object) with respect to the mirror surface, it is impossible for the observer to achieve access to the image by reaching out the hand. .

본 발명은 3차원을 포함하는 물체의 거울 영상을, 실체로서는 존재하지 않으나, 공중에 가상적으로 존재하는 거울에 비추었을 경우의 위치에 결상시키는, 새로운 광학 시스템을 제공하려고 하는 것이다.An object of the present invention is to provide a new optical system that forms a mirror image of an object including a three-dimensional image at a position when it is reflected by a mirror virtually existing in the air, which is not present in reality.

즉 본 발명은, 광을 굴곡시키면서 투과시켜 면 대칭 위치에 실상의 결상 작용을 갖는 광선 굴곡면과, 당해 광선 굴곡면을 향하여 배치되는 경면을 구비하고, 상기 광선 굴곡면을 사이에 두고 상기 경면과는 반대측인 관찰측에 배치한 피투영물의 상을, 당해 피투영물로부터 발해지는 광이 상기 광선 굴곡면을 투과하여 상기 경면에 반사되고 또한 상기 광선 굴곡면을 투과함으로써 상기 경면의 상기 광선 굴곡면에 대한 면 대칭 위치로 이동시킨 실체가 없는 가상 거울에 비춘 위치에 결상시키는 것을 특징으로 하는 광학 시스템이다.That is, this invention is provided with the light curved surface which has an image-forming action in the plane symmetrical position by transmitting light while bending, and the mirror surface arrange | positioned toward the said light curved surface, Comprising: Is an image of the projected object disposed on the opposite side of the observation side, and the light emitted from the projected object is reflected to the mirror surface through the beam curved surface and is transmitted to the beam curved surface, so that the beam curved surface of the mirror surface is The optical system is characterized in that the image is imaged in the position reflected on the virtual mirror without the substance moved to the plane symmetry position.

즉, 도 1에 원리도[(a)는 경면(2)을 광선 굴곡면(1)에 대하여 경사지게 하여 배치한 형태를 도시하고, (b)는 경면(2)을 광선 굴곡면(1)에 대하여 평행하게 배치한 형태를 도시한다]를 도시한 바와 같이, 우선 피투영물(O)(도면에서, 점으로 나타낸다)에서 반사된 광선(피투영물로부터 발해지는 광선)은, 광선 굴곡면(1)을 투과할 때에 입사광과 면 대칭한 경로로 진행하기 때문에, 광선 굴곡면(1)을 사이에 두고 피투영물과는 면 대칭한 위치에 결상될 (I1)것이나, 경면(2)이 존재하기 때문에 실제로는 그 상(I1)과는 경면(2)에 대하여 면 대칭한 위치에 결상(I2)된다. 이 위치에 있어서의 상(I2)으로부터의 광선은, 또한 광선 굴곡면을 투과 후, 광선 굴곡면(1)에 대하여 면 대칭한 경로를 지나기 때문에 광선 굴곡면(1)에 대하여 피투영물(O)과 동일한 측에 결상되게 된다(I3). 이 상(I3)은 경면(2)을 광선 굴곡면(1)에 대하여 면 대칭 위치에 비춘 가상 거울(3)에 피투영물(O)을 비추었을 때의 상과 동일한 관계에 있다. 즉, 광선 굴곡면(1)을 경면(2)의 관찰측에 배치함으로써 경면(2)을 가상적으로 광선 굴곡면(1)에 대한 면 대칭 위치로 이동할 수 있어, 그 결과, 관찰자는 공중에 뜬 물리적 실체가 없는 가상 거울(3)에 비친 것 같이 보이는 비투영물(○)의 상(I3)을 관찰하는 것이 가능해진다.That is, the principle diagram [(a) in FIG. 1 shows a form in which the mirror surface 2 is inclined with respect to the ray curved surface 1, and (b) shows the mirror surface 2 in the ray curved surface 1. As shown in Fig. 1, first, the light beams (light rays emitted from the projected object) reflected from the projected object O (indicated by a point in the drawing) are the curved lines 1 of the light beam. Since the light propagates through a path symmetrical with the incident light, the image will be imaged at a plane symmetrical with the projected object with the beam curved surface 1 interposed therebetween, but since the mirror surface 2 exists, Is imaged I2 at a position symmetrical with respect to the mirror surface 2 from the image I1. The light beam from the image I2 at this position passes through a path symmetrical with respect to the light curved surface 1 after passing through the light curved surface, and thus the projected object O with respect to the light curved surface 1. It is formed on the same side as (I3). This image I3 has the same relationship as the image obtained when the projection O is projected onto the virtual mirror 3 in which the mirror surface 2 is positioned at the plane symmetry position with respect to the ray curved surface 1. That is, by arranging the light curved surface 1 on the viewing side of the mirror surface 2, the mirror surface 2 can be virtually moved to a plane symmetrical position with respect to the light curved surface 1, and as a result, the observer floats in the air. It becomes possible to observe the image I3 of the non-projection object (○) that appears to be reflected by the virtual mirror 3 having no physical substance.

이러한 광학 시스템의 일례로서는, 상기 광선 굴곡면을 구비한 광학 소자로서, 서로 직교하는 2개의 경면 요소를 구비한 단위 광학 소자를 복수 평면적으로 형성하여 이루어지는 반사형 면 대칭 결상 소자(참고 문헌;일본 특허 출원 제2006-080009 출원 명세서)를 구비하는 것을 들 수 있다. 이 경우, 반사형 면 대칭 결상 소자는, 상기 복수의 단위 광학 소자의 광선 굴곡면의 일측으로부터 타측으로 통과하는 광을 각 단위 광학 소자에 있어서 2개의 경면 요소에서 각각 반사시킴으로써 상기 광선 굴곡면의 타측에 결상시키는 것이며, 상기 2개의 경면 요소를 지나고 또한 이들 2개의 경면 소자에 수직 혹은 그것에 가까운 각도를 이루는 면을 상기 광선 굴곡면으로 한다.An example of such an optical system is an optical element having the above-mentioned light curved surface, a reflective plane symmetric imaging element formed by forming a plurality of planar unit optical elements each having two mirror surfaces orthogonal to each other (reference literature; Japanese Patent) And Application No. 2006-080009). In this case, the reflective planar symmetric imaging element reflects the light passing from one side of the light-curved surfaces of the plurality of unit optical elements from the other side to the other mirror element in each unit optical element, respectively, so that the other side of the light-curved surface The plane of light passing through the two mirror elements and forming an angle perpendicular to or close to the two mirror elements is the curved line.

이와 같은 반사형 면 대칭 결상 소자는, 소자의 일측에 있는 피투영물의 상을 소자의 타측의 면 대칭이 되는 위치에 결상시킨다. 따라서, 피투영물로부터 발해진 광(직접광)은 반사형 면 대칭 결상 소자의 단위 광학 소자를 통과할 때에 2개의 경면 요소에서 각각 1회씩 반사된 후, 경면에서 반사되어 반사광이 되고, 또한 단위 광학 소자를 통과할 때에 2개의 경면 요소에서 1회씩 반사되어, 피투영물을 가상 거울에 비춘 위치에 결상되게 된다. 그리고 2개의 경면 요소는, 광선 굴곡면과 거의 수직으로 배치되기 때문에, 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이, 경면(2)은 광선 굴곡면(1)에 대하여 예각을 이루도록 배치되게 된다. 여기서, 경면의 배치 위치는, 반사형 면 대칭 결상 소자를 투과하여 결상되는 피투영물의 실상의 위치와 반사형 면 대칭 결상 소자 사이에 설정되고, 경면의 배치 각도는 직접광과 반사광이 모두 2개의 경면 요소에서 1회씩 반사될 수 있는 적당한 각도로 설정된다. 또한, 상술한 바와 같이 2개의 경면 요소에 직접광 및 반사광을 반사시키기 때문에, 상의 관찰은 반사형 면 대칭 결상 소자에 대하여 비스듬하게 각도를 부여하여(광선 굴곡면에 대하여 예각, 특히 바람직하게는 광선 굴곡면의 법선에 대하여 30 내지 40°) 행하게 된다. 또한, 「수직 혹은 그것에 가까운 각도」 혹은 「거의 수직」이란, 본 발명에 있어서는 「정확히 수직, 내지 수직으로부터 어느 정도의 오차 범위 내의 각도」를 의미하는 것으로 한다.Such a reflective surface symmetric imaging element forms an image of a projected object on one side of the element at a position that becomes surface symmetry on the other side of the element. Therefore, the light (direct light) emitted from the projected object is reflected once in each of the two mirror elements when passing through the unit optical element of the reflective surface symmetric imaging element, and then reflected on the mirror surface to become the reflected light, and the unit optical element As it passes through, it is reflected once from two mirror elements, forming an image in the position where the projected object is reflected on the virtual mirror. Since the two mirror elements are disposed substantially perpendicular to the ray curved surface, as shown in Fig. 1A, the mirror surface 2 is arranged to be at an acute angle with respect to the ray curved surface 1. Here, the arrangement position of the mirror surface is set between the actual position of the projected object formed through the reflective surface symmetric imaging element and the reflective surface symmetric imaging element, and the arrangement angle of the mirror surface is two mirror surfaces in which both direct light and reflected light are used. It is set at an appropriate angle that can be reflected once in the element. Further, as described above, since the direct light and the reflected light are reflected on the two mirror elements, the observation of the image is angled at an angle with respect to the reflective plane symmetric imaging element (acute angle, particularly preferably the ray bend with respect to the ray curved surface). 30 to 40 ° with respect to the normal of the surface. In addition, "vertical or the angle close to it" or "almost vertical" shall mean "an angle in the error range of a certain extent from vertical to vertical exactly" in this invention.

더욱 구체적으로, 반사형 면 대칭 결상 소자는 소정의 기판을 두께 방향으로 관통시킨 복수의 구멍을 구비하고, 각 구멍의 내벽에 상기 직교하는 2개의 경면 요소로 구성되는 단위 광학 소자를 형성한 것이며, 상기 구멍을 통하여 기판의 한 쪽의 면 방향으로부터 다른 쪽의 면 방향으로 광이 투과할 때에, 2개의 경면 요소에서 각각 1회씩 반사시키는 것으로 할 수 있다. 즉, 기판면에 다수의 구멍을 형성하고, 그 각 구멍에 2개의 직교하는 경면 요소를 형성한다고 하는 비교적 간소한 구성으로 반사형 면 대칭 결상 소자를 작성할 수 있다.More specifically, the reflective surface symmetric imaging element has a plurality of holes through which a predetermined substrate is penetrated in the thickness direction, and is formed on the inner wall of each hole to form a unit optical element composed of two orthogonal mirror elements. When light passes through the hole from one surface direction of the substrate to the other surface direction, it can be reflected once in each of the two mirror surface elements. That is, a reflective planar symmetric imaging element can be produced with a relatively simple configuration of forming a plurality of holes in the substrate surface and forming two orthogonal mirror elements in each hole.

혹은 반사형 면 대칭 결상 소자는, 소정의 기판을 두께 방향으로 돌출시킨 복수의 투명한 통 형상체를 구비하고, 각 통 형상체의 내벽면에 상기 직교하는 2개의 경면 요소로 구성되는 단위 광학 소자를 형성한 것이며, 상기 통 형상체를 통하여 기판의 한 쪽의 면 방향으로부터 다른 쪽의 면 방향으로 광이 투과될 때에 2개의 경면 요소에서 각각 1회씩 반사시키는 것으로 하는 것도 가능하다. 이러한 것이어도, 기판면에 다수의 통 형상체를 형성하고, 그 각 통 형상체에 2개의 직교하는 경면 요소를 형성한다고 하는 비교적 간소한 구성으로 반사형 면 대칭 결상 소자를 작성할 수 있다.Alternatively, the reflective surface symmetric imaging element includes a plurality of transparent cylindrical bodies protruding a predetermined substrate in the thickness direction, and includes a unit optical element composed of two mirror surfaces elements orthogonal to the inner wall surface of each cylindrical body. It is also formed, and it is also possible to reflect once in each of the two mirror elements when light is transmitted from one surface direction of the substrate to the other surface direction of the substrate through the cylindrical body. Even in such a case, a reflective planar symmetric imaging element can be produced with a relatively simple configuration in which a large number of cylindrical bodies are formed on the substrate surface, and two orthogonal mirror elements are formed in the respective cylindrical bodies.

이상과 같은 반사형 면 대칭 결상 소자를 구비한 광학 시스템에서는, 이러한 단위 광학 소자를, 상기 기판에 있어서 규칙적인 격자 형상으로 형성하면 피투영물의 상의 고선명화를 도모하는 것이 가능하다.In the optical system provided with the reflective surface symmetric imaging element as described above, by forming such a unit optical element in a regular lattice shape on the substrate, it is possible to achieve high definition on the projected object.

이상과 같은 반사형 면 대칭 결상 소자를 사용하는 형태 외에, 굴절률이 부의 경로로 광을 투과시키는 물질인 메타 머티리얼(참고 문헌 ; 「광학 기술에 혁명을 일으키는 슈퍼 렌즈」, 닛케이 사이언스 2006년 10월호, 가부시키가이샤 닛케이 사이언스)을 이용함으로써도, 본 발명의 광학 시스템을 실현할 수 있다. 즉, 본 발명의 광학 시스템을, 상기 광선 굴곡면을 구비한 광학 소자로서, 상기 피투영물을 배치한 공간과 접하는 면을 평면적인 상기 광선 굴곡면으로 한 메타 머티리얼 광학 소자를 구비하는 것으로 할 수 있다. 이 경우, 메타 머티리얼 광학 소자는, 적어도 상기 광선 굴곡면과 상기 경면 사이를 메타 머티리얼로 충전한 것으로 한다. 피투영물의 광선 굴곡면(메타 머티리얼의 표면)에 대한 면 대칭 위치에 실상을 결상시키는 것으로 하기 위해서는 메타 머티리얼의 굴절률을 -1로 하는 것이 바람직하다. 또한, 경면의 배치 위치는, 광선 굴곡면과 광선 굴곡면에 의한 피투영물의 실상의 결상 위치의 중간에 설정되고, 경면의 배치 각도는 입사광과 출사광이 모두 광선 굴곡면을 통과하는 범위에서 적절하게 설정할 수 있다. 즉, 도 1의 (a)(b) 어떤 구성으로 해도 좋다. 또한, 메타 머티리얼 광학 소자를 사용하는 경우에는, 관찰 각도는 특별히 제한되는 일은 없다.In addition to using the above-described reflective surface symmetric imaging elements, metamaterials having a refractive index that transmits light through a negative path (reference literature; `` Super Lenses Revolutionizing Optical Technology '', Nikkei Science October 2006, By using Nikkei Science Co., Ltd., the optical system of the present invention can be realized. That is, the optical system of the present invention can be provided with a metamaterial optical element in which the plane of contact with the space in which the projected object is arranged is the planar ray-bend surface as the optical element having the ray-curved surface. . In this case, it is assumed that the metamaterial optical element is filled with a metamaterial at least between the light curved surface and the mirror surface. In order to form an image in the plane symmetry position with respect to the light curved surface (surface of a meta material) of a to-be-projected object, it is preferable to make refractive index of a meta material into -1. In addition, the arrangement position of a mirror surface is set in the middle of the actual image formation position of a to-be-projected object by a light ray curved surface and a light ray curved surface, and an arrangement angle of a mirror surface is appropriate in the range which both incident light and output light pass through a light ray curved surface. Can be set. That is, you may have any structure of FIG. 1 (a) (b). In addition, when using a metamaterial optical element, the observation angle is not particularly limited.

이상의 것 외에도 본 발명의 광학 시스템에는, 상기 광선 굴곡면을 구비한 광학 소자로서, 제1 렌즈 요소와, 제2 렌즈 요소를 동일 광학축 상에 배치한 어포컬 광학계로 하고 상기 제1 렌즈 요소를 어레이 형상으로 배열하여 동일 평면 상으로 하는 동시에, 상기 제2 렌즈 요소를 어레이 형상으로 배열하여 동일 평면 상으로 한 복수의 당해 어포컬 광학계를 갖는 광학부를 구비하는 어포컬 입체 광학 소자이며, 상기 어포컬 광학계는 상기 제1 렌즈 요소 및 상기 제2 렌즈 요소를, 당해 제1 렌즈 요소로부터 입사된 평행 광선을 당해 제2 렌즈 요소의 전방측 초점에 집광하는 위치에 배치한 어포컬 입체 광학 소자를 구비하는 것을 채용할 수 있고, 이 경우, 상기 제1 렌즈 요소와 제2 렌즈 요소의 중간 위치에 있어서 상기 광학축으로 수직 혹은 거기에 가까운 각도를 이루는 면을 상기 광선 굴곡면으로 한다.In addition to the above, in the optical system of the present invention, the first lens element is an optical element having the above-mentioned light curved surface, wherein the first lens element and the second lens element are arranged on the same optical axis. A focal stereoscopic optical element comprising: an optical unit having a plurality of said apocalyptic optical systems arranged in an array shape to be coplanar, and having said second lens elements arranged in an array shape to be coplanar; The optical system includes an afocal stereoscopic optical element in which the first lens element and the second lens element are arranged at a position for condensing parallel light rays incident from the first lens element to the front focus of the second lens element. In this case, the angle perpendicular to or close to the optical axis at the intermediate position of the first lens element and the second lens element. The surface which makes a figure is made into the said ray curved surface.

어포컬 광학계에 대해서는, 제1 렌즈 요소와 제2 렌즈 요소 각각의 초점 거리를 이격하여 동일 광학축 상에 배치하여 어포컬 광학계로 하고, 당해 어포컬 광학계의 입사 렌즈면 및 출사 렌즈면을 각각 어레이 형상으로 동일 평면 상으로 하여 배치한 상기 광학부로 할 수 있다. 제1 렌즈 요소 및 제2 렌즈 요소의 조합으로서는, 2개의 볼록 렌즈로 한 것, 2개의 실린드리컬 렌즈로 한 것, 2개의 광 파이버 렌즈로 한 것, 등을 채용할 수 있다(참고 문헌;일본 특허 출원 공개 제2005-10755 공보). 여기서, 어포컬 광학계란, 초점 거리가 무한대인 광학계이다. 또한, 면 대칭 위치에 결상시키기 위해서는, 제1 및 제2 렌즈의 초점 거리가 거의 동일하게 되어 있을 필요가 있다.In the afocal optical system, the focal lengths of the first lens element and the second lens element are spaced apart from each other on the same optical axis to form an afocal optical system, and the incident lens surface and the exit lens surface of the afocal optical system are arrayed, respectively. It can be set as the said optical part arrange | positioned on the same plane in shape. As the combination of the first lens element and the second lens element, one of two convex lenses, two cylindrical lenses, two optical fiber lenses, and the like can be adopted (Reference Document; Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-10755). Here, an afocal optical system is an optical system whose focal length is infinite. In addition, in order to form an image in the plane symmetry position, the focal lengths of the first and second lenses need to be substantially the same.

이러한 구성의 어포컬 입체 광학 소자는, 어포컬 광학계의 제1 렌즈 요소로부터 입사된 피투영물의 광을, 각각의 제1 렌즈 요소에 의해 요소 화상으로 하여 제2 렌즈 요소로부터 출사한다. 그리고, 어포컬 입체 광학 소자는, 제2 렌즈 요소로부터 출사된 요소 화상의 광선군 전체에 의해, 피투영물에 대한 입체 광학상을 형성하여 표시한다. 그리고, 피투영물로부터 발해진 광은, 어포컬 입체 광학 소자를 투과하여 피투영물의 광선 굴곡면에 대한 면 대칭 위치에 입체 광학상을 형성하기 전에 경면에서 반사되어, 입사 시와는 반대 방향으로 어포컬 입체 광학 소자를 투과하여 경면의 광선 굴곡면에 대한 면 대칭 위치에 형성되는 가상 거울에 피투영물을 비춘 위치에 당해 피투영물의 실상을 결상시킨다.The afocal stereoscopic optical element having such a configuration emits light from the second lens element, using the first lens element as an element image, of the projected object incident from the first lens element of the afocal optical system. And the afocal stereoscopic optical element forms and displays the stereoscopic optical image with respect to a to-be-projected object with the whole light ray group of the element image radiate | emitted from the 2nd lens element. The light emitted from the projected object is reflected from the mirror surface before passing through the afocal stereoscopic optical element to form a stereoscopic optical image at a plane symmetrical position with respect to the curved surface of the beam of the projected object, and in the opposite direction to the incident time. An image of the projected object is imaged at a position where the projected object is projected onto a virtual mirror formed through a focal stereoscopic optical element and formed at a plane symmetrical position with respect to the mirror curved surface.

이러한 어포컬 입체 광학 소자를 사용하는 광학 시스템의 경우, 광은 각 렌즈 요소에 대하여 주로 정면 방향으로부터 투과하게 되기 때문에 직접광 및 반사광이 모두 2개의 렌즈 요소를 투과하도록 하기 위해서는, 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 경면을 광선 굴곡면과 대략 평행하게 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 상의 관찰은, 광선 굴곡면에 대하여 대략 수직 방향으로부터 행하는 것이 바람직하다.In the case of an optical system using such an afocal stereoscopic optical element, since light is transmitted mainly from the front direction with respect to each lens element, in order for both the direct light and the reflected light to pass through the two lens elements, (b) of FIG. As shown in FIG. 6, it is preferable to arrange the mirror surface substantially parallel to the ray curved surface. In addition, it is preferable to perform phase observation from the substantially perpendicular direction with respect to the curved line of light rays.

본 발명은, 광을 투과하여 면 대칭 위치에 실상의 결상 작용을 갖는 광학 소자와 경면을 이용함으로써, 실체로서는 존재하지 않는 가상 거울에 비친 피투영물의 실상을 관찰할 수 있다고 하는, 새로운 결상 양식의 광학 시스템을 창출하는 것이다. 따라서, 본 발명의 광학 시스템을, 적당한 각도·거리로부터 들여다봄으로써 가상 거울에 비친 거울 영상(예를 들어 관찰자 자신의 얼굴)을 공중에 관찰할 수 있다. 이와 같이 하여 얻어지는 가상 거울에 비추는 상은, 통상의 평면 거울과는 달리 광학 시스템보다도 앞(관찰자측)에 결상된 것이므로, 본 발명은 관찰자가 손을 뻗쳐 액세스하는 (가상적으로 저촉하는) 것도 가능하기 때문에 관찰자와 상과의 참신한 커뮤닛케이이션 방법도 제공할 수 있는 것이다.The present invention relates to a new imaging modality, in which an optical element and a mirror surface having light image passing through the light and having an image forming action at a symmetrical position can be observed, whereby the actual image of a projected object reflected in a virtual mirror which does not exist as an object can be observed. To create an optical system. Therefore, by looking into the optical system of this invention from an appropriate angle and distance, the mirror image (for example, the observer's own face) reflected on the virtual mirror can be observed in the air. Since the image reflected on the virtual mirror obtained in this way is formed in front of the optical system (observer side), unlike the ordinary planar mirror, the present invention can also be extended (accessible virtually) by the observer. It is also possible to provide a novel communication method between the observer and the supervisor.

도 1은 본 발명의 광학 시스템에 의한 결상 양식을 도시하는 원리도.1 is a principle diagram showing an imaging modality by the optical system of the present invention.

도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 광학 시스템을 도시하는 개략적인 사시도.2 is a schematic perspective view showing an optical system according to a first embodiment of the present invention.

도 3은 상기 광학 시스템에 있어서의 면 대칭 결상 소자를 도시하는 평면도.3 is a plan view showing a plane symmetric image forming element in the optical system;

도 4는 상기 광학 시스템에 있어서의 면 대칭 결상 소자의 일부를 확대하여 도시하는 사시도.4 is an enlarged perspective view showing a part of the plane symmetric imaging element in the optical system.

도 5는 상기 면 대칭 결상 소자에 의한 광의 투과 및 굴절의 상태를 도시하는 모식도.5 is a schematic diagram showing a state of transmission and refraction of light by the plane symmetric imaging element.

도 6은 상기 광학 시스템에 의한 결상 양식을 도시하는 모식도.6 is a schematic diagram showing an imaging modality by the optical system.

도 7은 상기 광학 시스템에 적용되는 면 대칭 결상 소자의 다른 예를 도시하는 도면.7 is a diagram showing another example of the plane symmetric imaging element applied to the optical system.

도 8은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 광학 시스템 및 그 결상 양식을 도시하는 모식도.8 is a schematic diagram showing an optical system and an imaging form thereof according to a second embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 광학 시스템 및 그 결상 양식을 도 시하는 모식도.9 is a schematic diagram showing an optical system and an imaging form thereof according to a second embodiment of the present invention.

도 10은 상기 광학 시스템의 어포컬 광학계에 의한 광의 투과를 도시하는 모식도.10 is a schematic diagram showing transmission of light by the afocal optical system of the optical system.

이하, 본 발명의 실시 형태를, 도면을 참조하여 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiment of this invention is described with reference to drawings.

도 2에 도시하는 본 발명의 제1 실시 형태는, 광을 투과시켜 면 대칭 위치에 실상의 결상 작용을 갖는 광선 굴곡면을 갖는 반사형 면 대칭 결상 소자(10)와, 이 반사형 면 대칭 결상 소자(10)를 사이에 두고 피투영물(O)의 반대측에 배치되는 평면 거울(20)로 구성되는 광학 시스템(X1)이다. 이하, 이 광학 시스템(X1)의 각 부의 구성과 결상 양식에 대하여 설명한다.In the first embodiment of the present invention shown in FIG. 2, a reflective plane symmetric imaging element 10 having a light-flexible surface having light imaging surfaces in the plane symmetrical position through light transmission and the reflective plane symmetrical imaging It is an optical system X1 composed of a planar mirror 20 arranged on the opposite side of the projected object O with the device 10 interposed therebetween. Hereinafter, the structure and the imaging modality of each part of this optical system X1 are demonstrated.

반사형 면 대칭 결상 소자(10)는, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 평판 형상의 기판(11)을 구비하고, 이 기판(11)에 평평한 기판 표면에 대하여 수직으로 두께를 관통하는 구멍(12)을 다수 형성하고, 각 구멍(12)을 단위 광학 소자(13)로서 이용하기 위하여 그 내벽면에 2개의 직교하는 경면 요소(14a, 14b)를 형성한 것이다.The reflective surface symmetric imaging element 10 includes a flat substrate 11 as shown in FIGS. 2 and 3, and has a hole penetrating through the thickness of the substrate 11 perpendicularly to a flat substrate surface. A large number of (12) are formed, and two orthogonal mirror surface elements 14a, 14b are formed on the inner wall surface in order to use each hole 12 as the unit optical element 13.

기판(11)은, 두께 치수가 50 내지 200㎛, 예를 들어 본 실시 형태에서는 100㎛의 박판 형상의 것이고, 본 실시 형태에서는 폭 치수 및 깊이 치수가 각각 약 5㎝의 것을 적용하고 있으나, 기판(11)의 두께나 평면 치수는 이들에 한정되지 않고 적절하게 설정할 수 있다. 도 3의 A부를 확대하여 도 4에 도시한 바와 같이, 각 단위 광학 소자(13)는 광을 투과시키기 위하여 기판(11)에 형성한 물리적·광학적 인 구멍(12)을 이용한 것이다. 본 실시 형태에서는, 단위 광학 소자(13)로서, 평면에서 보아 거의 직사각 형상(구체적으로 본 실시 형태에서는 정사각 형상)의 구멍(12)을 적용하고, 서로 직교하는 2개의 내벽면에 평활 경면 처리를 실시하여 경면 요소(14a, 14b)로 하고, 이들 경면 요소(14a, 14b)를 반사면으로서 기능시키는 동시에, 구멍(12)의 내벽면의 다른 부분에는 경면 처리를 실시하지 않아 광이 반사 불능한 면으로 하거나, 혹은 각도를 부여하거나 하여 반사광을 억제한 것이다. 각 단위 광학 소자(13)는 기판(11) 상에 있어서, 모두 동일한 방향으로 경면 요소(14a, 14b)를 형성하고 있다. 경면 요소(14a, 14b)의 형성에 있어서 본 실시 형태에서는 금속제의 금형을 우선 작성하고, 경면 요소(14a, 14b)를 형성해야 할 내벽면을 나노 스케일의 절삭 가공 처리를 함으로써 경면 형성을 행하고, 이들 면 거칠기를 10㎚ 이하로 하여 가시광 스펙트럼 영역에 대하여 균일하게 경면이 되도록 하고 있다.Although the board | substrate 11 has a thin plate shape of 50-200 micrometers in thickness, for example, 100 micrometers in this embodiment, in this embodiment, the width | variety dimension and the depth dimension are about 5 cm, respectively, The thickness and planar dimension of (11) are not limited to these, but can be appropriately set. As shown in FIG. 4 by enlarging portion A of FIG. 3, each unit optical element 13 uses physical and optical holes 12 formed in the substrate 11 to transmit light. In the present embodiment, as the unit optical element 13, a hole 12 having a substantially rectangular shape (specifically, a square shape in the present embodiment) in plan view is applied, and smooth mirror surface treatment is applied to two inner wall surfaces that are perpendicular to each other. The mirror surface elements 14a and 14b, and these mirror elements 14a and 14b function as reflecting surfaces, and other parts of the inner wall surface of the hole 12 are not mirror-polished and light cannot be reflected. The reflected light is suppressed by making a plane or giving an angle. Each unit optical element 13 forms mirror surface elements 14a and 14b on the substrate 11 in the same direction. In the formation of the mirror surface elements 14a and 14b, in this embodiment, a metal mold is first created, and mirror surface formation is performed by performing nanoscale cutting processing on the inner wall surface on which the mirror surface elements 14a and 14b should be formed, These surface roughness is set to 10 nm or less so that it may become a mirror surface uniformly with respect to a visible light spectral region.

구체적으로, 각 단위 광학 소자(13)는 1변이, 예를 들어 50 내지 200㎛, 바람직하게는 본 실시 형태에서는 100㎛이며, 먼저 작성한 금형을 사용한 프레스 공법을 나노 스케일에 응용한 나노인프린트 공법 또는 전기 주조 공법에 의해, 1개의 기판(11)에 소정 피치로 복수 형성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 각 단위 광학 소자(13)의 종횡으로 연장되는 각 변을, 기판(11)의 폭 방향 또는 깊이 방향에 대하여 45도 경사시키는 동시에, 임의의 서로 다른 2개의 단위 광학 소자(13)끼리는 서로 평행을 이루도록 하고 있다. 단, 임의의 서로 다른 2개의 단위 광학 소자(13)끼리는, 평행이 아니라 여러가지(랜덤) 각도를 부여하는 것도 생각할 수 있 다. 각도를 부여함으로써 미광이 되는 1회 반사광이 보다 확산되는 동시에, 2회 반사광의 횡방향 시야각이 넓어져 투과율의 시야각에 대한 피크가 평탄해지기 때문이다. 또한, 이웃하는 단위 광학 소자(13)끼리의 이격 치수를 가능한 한 작게 설정함으로써, 투과율을 향상시킬 수 있다. 그리고, 상기 기판(11) 중 단위 광학 소자(13)를 형성한 부분 이외의 부위에, 차광 처리를 실시하여 기판(11)의 상면 및 하면에 도시하지 않은 박판 형상을 이루는 보강재를 설치하고 있다. 또한, 이 판재에 의해 각 단위 광학 소자(13)의 덮개가 봉해지지 않도록 하고 있는 것은 말할 필요도 없다. 본 실시 형태에서는, 이러한 단위 광학 소자(13)를 기판(11)에 수만 내지 수십만개 설치하고 있다.Specifically, each unit optical element 13 has one side, for example, 50 to 200 µm, preferably 100 µm in the present embodiment, and a nano-printing method in which a press method using a metal mold prepared earlier is applied to a nanoscale. Alternatively, a plurality of substrates 11 are formed in a predetermined pitch by an electroforming method. In this embodiment, each side extending longitudinally and horizontally of each unit optical element 13 is inclined 45 degrees with respect to the width direction or the depth direction of the board | substrate 11, and arbitrary two mutually different unit optical elements 13 are carried out. ) Are parallel to each other. However, two different unit optical elements 13 may be considered to give various (random) angles instead of parallel. This is because by providing an angle, the one-time reflected light to become stray light is diffused more, and the lateral viewing angle of the two-reflected light is widened, and the peak with respect to the viewing angle of transmittance becomes flat. In addition, the transmittance can be improved by setting the separation dimension between the adjacent unit optical elements 13 as small as possible. In addition, the light shielding process is performed to parts other than the part in which the unit optical element 13 was formed among the said board | substrate 11, and the reinforcement which forms a thin plate shape not shown in the upper and lower surfaces of the board | substrate 11 is provided. It goes without saying that the cover of each unit optical element 13 is not sealed by this sheet material. In this embodiment, tens of thousands to hundreds of thousands of such unit optical elements 13 are provided on the substrate 11.

다른 경면 요소의 형성 방법으로서, 전기 주조 공법에 의해 알루미늄이나 니켈 등의 금속에 의해 기판(11)을 형성한 경우, 경면 요소(14a, 14b)는 금형의 면 거칠기가 충분히 작으면, 그것에 의하여 자연스럽게 경면이 된다. 또한, 나노인프린트 공법을 사용하여, 기판(11)을 수지제 등으로 한 경우에는 경면 요소(14a, 14b)를 작성하기 위해서는 스퍼터링 등에 의해 경면 코팅을 실시할 필요가 있다. As another method of forming the mirror element, when the substrate 11 is formed of a metal such as aluminum or nickel by an electroforming method, the mirror element 14a, 14b is naturally formed if the surface roughness of the mold is sufficiently small. It is mirrored. In addition, when the substrate 11 is made of resin or the like using the nanoinprint method, in order to create the mirror elements 14a and 14b, it is necessary to perform mirror coating by sputtering or the like.

이와 같이 하여 기판(11)에 형성한 단위 광학 소자(13)는 기판(11)의 표면측(또는 이면측)으로부터 구멍(12)에 들어간 광을 한 쪽의 경면 요소(14a 또는 14b)에서 반사시키고, 또한 다른 쪽의 경면 요소(14b 또는 14a)에서 반사시켜 기판(11)의 이면측(또는 표면측)으로 통과시키는 기능을 갖고, 이 광의 경로를 측방에서 보면 광의 진입 경로와 사출 경로가 기판(11)을 사이에 두고 면 대칭을 이루기 때문에, 기판(11) 상의 단위 광학 소자(13)의 집합은, 반사형 면 대칭 결상 소 자(10)를 구성한다. 즉, 이러한 반사형 면 대칭 결상 소자(10)의 광선 굴곡면[단위 광학 소자(13)의 모든 경면 요소를 지나 또한 그들 경면 요소와 직교하는 면]은, 기판(11)의 일측에 있는 물체의 실상을 타측의 면 대칭 위치에 결상시키는 광선 굴곡면(1)[도면에서, 상상선으로 나타낸다. 기판(11)의 두꺼운 중앙부를 지나 각 경면 요소와 직교하는 면을 가정]으로 된다.Thus, the unit optical element 13 formed in the board | substrate 11 reflects the light which entered the hole 12 from the surface side (or back surface side) of the board | substrate 11 by one mirror surface element 14a or 14b. And reflects from the other mirror element 14b or 14a to pass to the back side (or surface side) of the substrate 11, and when the light path is viewed from the side, the light entry path and the exit path are the substrate. Since the surface symmetry is achieved with the (11) interposed therebetween, the assembly of the unit optical elements 13 on the substrate 11 constitutes the reflective surface symmetric imaging element 10. That is, the beam curved surface (surface passing through all mirror elements of the unit optical element 13 and orthogonal to those mirror elements) of such a reflective plane symmetric imaging element 10 is formed of an object on one side of the substrate 11. Light-ray curved surface 1 (in the figure, it shows as an imaginary line) which forms an actual image in the plane symmetry position of the other side. Assume that the surface orthogonal to each mirror surface element passes through the thick center portion of the substrate 11.

한편, 평면 거울(20)은, 기판(11)을 향하는 면을 평평한 경면(2)으로 한 것이며, 경면(21)이 반사형 면 대칭 결상 소자(10)에 있어서의 광선 굴곡면(1)과 이루는 각도가 예각(도시예에서는 45°)이 되는 자세로 기판(11)의 이면측에 배치된다. 이 평면 거울(20)의 위치는, 피투영물(O)의 반사형 면 대칭 결상 소자(10)에 의한 결상 위치까지의 광의 경로상이며, 그 결상 위치보다도 기판(11) 가까이에 설정하는 것을 조건으로 한다. 또한, 평면 거울(20)의 형상이나 크기나 각도는 적절하게 설정할 수 있다. 또한 본 실시 형태의 광학 시스템(X)은, 예를 들어 기판(11)을 덮개로 하는 상자 형상의 장치로 해도 되고, 그 경우는 상자 내에 평면 거울(20)을 설치하게 된다.On the other hand, the planar mirror 20 is a flat mirror surface 2 whose surface facing the substrate 11 is the mirror surface 21 and the light curved surface 1 in the reflective surface symmetric imaging element 10. It is arrange | positioned at the back surface side of the board | substrate 11 in the attitude which an angle made up becomes an acute angle (45 degree in illustration). The position of this planar mirror 20 is on the path | route of the light to the imaging position by the reflective surface symmetric imaging element 10 of a to-be-projected object O, and it sets it as the board | substrate 11 rather than the imaging position. It is done. In addition, the shape, size, and angle of the planar mirror 20 can be set suitably. In addition, the optical system X of this embodiment may be a box-shaped apparatus which makes the board | substrate 11 a cover, for example, In that case, the planar mirror 20 is provided in a box.

여기서, 본 실시 형태의 광학 시스템(X1)을 사용한 결상 양식을, 피투영물(O)로부터 발해진 광의 경로와 함께 설명한다. 우선, 도 5에 평면적인 모식도로 도시한 바와 같이, 피투영물(O)로부터 발해지는 광(화살표 방향, 실선으로 나타낸다. 3차원적으로는 지면 앞으로부터 지면 안쪽 방향으로 진행한다)은, 반사형 면 대칭 결상 소자(10)를 투과할 때에, 한 쪽의 경면 요소(14a)(또는 14b)에서 반사되고 또한 다른 쪽의 경면 요소(14b)(또는 14a)에서 반사됨으로써(투과광의 광선을 파선으로 나타낸다), 경면(2)이 존재하지 않으면, 반사형 면 대칭 결상 소자(4)의 광선 굴곡면(1)에 대하여 피투영물(O)의 면 대칭 위치에 결상된다. 그러나, 경면(2)의 존재에 의해 투과광은 결상되기 전에 경면(2)에서 반사된다. 따라서, 도 6에 측면에서 본 모식도에 도시한 바와 같이, 피투영물(O)(굵은 화살표의 도형, 위치A]로부터 발해진 광은, 반사형 면 대칭 결상 소자(10)에 의한 상(위치B)의 경면(2)에 대한 면 대칭 위치(위치C)에 결상되게 된다. 이 위치C에 있어서의 상은, 상기와는 반대측으로부터, 즉 기판(11)의 이면측으로부터 표면측으로 반사형 면 대칭 결상 소자(10)를 투과할 때에, 2개의 경면 요소(14a, 14b)에서 1회씩 반사되어, 광선 굴곡면(1)에 대하여 면 대칭이 되는 위치(위치D)에 실상으로서 결상된다. 여기서, 반사형 면 대칭 결상 소자(10)의 광선 굴곡면(1)에 대한 경면(2)의 면 대칭 위치에, 실제로는 존재하지 않는 가상 거울(3)을 고려하면, 위치A에 있어서의 피투영물(O)과 위치D에 있어서의 상은 가상 거울(3)에 대하여 면 대칭의 관계에 있다. 즉, 본 실시 형태의 광학 시스템(X)을 이용함으로써, 아무것도 존재하지 않는 공중에 마치 거울에 비춘 것 같이 피투영물(O)의 상을 관찰할 수 있게 된다. 또한, 도 2에 도시한 화살표는 본 실시 형태의 광학 시스템(X1)에 있어서의 반사형 면 대칭 결상 소자(10)에 대하여 경사 상방으로부터의 상의 관찰 방향을 나타내고 있다.Here, the imaging modality using the optical system X1 of this embodiment is demonstrated with the path | route of the light emitted from the to-be-projected object O. FIG. First, as shown in a plan view schematically in Fig. 5, the light emitted from the projected object O (indicated by an arrow direction and a solid line. Three-dimensionally progresses from the front of the ground to the ground inward) is a reflection type. When passing through the surface symmetric imaging element 10, it is reflected by one mirror element 14a (or 14b) and reflected by the other mirror element 14b (or 14a) (the light beam of transmitted light is broken by a broken line). If the mirror surface 2 does not exist, it forms in the plane symmetry position of the to-be-projected object O with respect to the light-ray curved surface 1 of the reflective surface symmetry imaging element 4. However, due to the presence of the mirror surface 2, the transmitted light is reflected on the mirror surface 2 before it is imaged. Therefore, as shown in the schematic diagram seen from the side in FIG. 6, the light emitted from the projected object O (figure of thick arrow, position A) is transferred to the image (position B) by the reflective surface symmetric imaging element 10. Is formed at the plane symmetry position (position C) with respect to the mirror surface 2. The image at this position C is a reflection type symmetric image formation from the opposite side to the surface, that is, from the back surface side of the substrate 11 to the surface side. When passing through the element 10, it is reflected once by the two mirror elements 14a and 14b, and is imaged as a real image at the position (position D) which becomes plane symmetry with respect to the ray curved surface 1. Considering the virtual mirror 3 which does not actually exist at the plane symmetry position of the mirror surface 2 with respect to the light-curved surface 1 of the mold surface symmetric imaging element 10, the projected object O at position A ) And the image at position D are in a plane symmetrical relationship with respect to the virtual mirror 3. That is, the optical of this embodiment By using the stem X, it is possible to observe the image of the projected object O as if it was reflected in a mirror in the air where nothing was present. In addition, the arrow shown in Fig. 2 shows the optical system of the present embodiment ( The observation direction of the image from the inclination upward direction is shown with respect to the reflective surface symmetric imaging element 10 in X1).

또한, 상술한 바와 같은 반사형 면 대칭 결상 소자(10)는 구멍(12)의 내벽에 2개의 직교하는 경면 요소(14a, 14b)를 형성한 형태 대신에, 도7에 확대도를 도시한 바와 같이 기판(11)의 두께 방향으로 돌출되는 투명한 통 형상체(15)를 바둑판눈금 형상으로 다수 형성하고, 각 통 형상체(15)의 내벽면 중, 직교하는 2개를 경 면 요소(14a, 14b)로 한 형태에 의해서도 실현 가능하다. 이 경면 요소는 전반사를 이용할 수도 있고, 반사막에 의한 반사를 이용하는 것도 가능하다. 이 경우, 통 형상체(15)의 경면 요소(14a, 14b) 이외의 내벽면을 반사면으로 하지 않거나 혹은 각도를 부여함으로써 여분의 반사를 없애어 보다 선명한 상을 얻을 수 있다.Incidentally, the reflective surface symmetric imaging element 10 as described above has an enlarged view shown in FIG. 7 instead of the two orthogonal mirror surface elements 14a, 14b formed on the inner wall of the hole 12. Likewise, a plurality of transparent cylindrical bodies 15 protruding in the thickness direction of the substrate 11 are formed in a checkerboard scale shape, and two orthogonal two of the inner wall surfaces of the respective cylindrical bodies 15 are mirror surface elements 14a, 14b) can also be realized. This mirror surface element may use total reflection or may use reflection by a reflective film. In this case, by making the inner wall surfaces other than the mirror surface elements 14a and 14b of the cylindrical body 15 into a reflection surface or giving an angle, extra reflection can be eliminated and a clearer image can be obtained.

또한 본 발명의 제2 실시 형태는, 도 8의 (a)에 도시한 바와 같이 광학 시스템(X2)을 굴절률이 부의 물질인 메타 머티리얼로 구성되는 메타 머티리얼 광학 소자(30)와, 평면 거울(20)로 구성한 것이다. 메타 머티리얼에서는, 정의 굴절률의 매질(예를 들어 대기 중)로부터 광이 입사될 때에 입사광은 메타 머티리얼의 표면[즉 광선 굴곡면(1)]을 지나는 법선에 대하여 동일한 측으로 굴절되어 메타 머티리얼 내를 진행한다. 도시예에서는, 면 대칭 위치로의 실상의 결상을 실현하기 위해, 메타 머티리얼로서 굴절률이 -1인 물질을 적용한 형태를 도시하고 있다. 상기 도면에 도시한 광학 시스템(X2)은, 메타 머티리얼로 된 직육면체 형상을 이루는 메타 머티리얼 광학 소자(30)의 내부에, 피투영물(O)을 향하는 메타 머티리얼 광학 소자(30)의 표면인 광선 굴곡면(1)을 향하여 소정 각도(예를 들어 45°)로 경사지게 한 경면(2)을 갖는 평면 거울(20)을 설치한 구성을 구비하고 있다.In addition, in the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 8A, the optical system X2 includes a metamaterial optical element 30 composed of a metamaterial having a negative refractive index, and a planar mirror 20. ). In metamaterials, when light is incident from a medium of positive refractive index (e.g., in the atmosphere), the incident light is refracted toward the same side with respect to the normal passing through the surface of the metamaterial (i.e., the ray curved surface 1) and proceeds within the metamaterial. do. In the example of illustration, in order to realize the actual image formation to a plane symmetry position, the form which applied the material of refractive index -1 as metamaterial is shown. The optical system X2 shown in this figure is a ray bending of the surface of the metamaterial optical element 30 which faces the projection object O inside the metamaterial optical element 30 having a rectangular parallelepiped shape made of metamaterial. It is provided with the structure which provided the planar mirror 20 which has the mirror surface 2 inclined toward the surface 1 at the predetermined angle (for example, 45 degrees).

여기서, 본 실시 형태의 광학 시스템(X2)을 사용한 결상 양식을, 피투영물(O)로부터 발해진 광의 경로와 함께 설명한다. 이 광학 시스템(X2)에서는, 피투영물(O)(위치A)로부터 발해진 광은, 메타 머티리얼 광학 소자(30)의 표면[광선 굴곡면(1)]에서 입사광과 동일 측으로 굴절되어 메타 머티리얼 광학 소자(30) 내를 진행하고, 경면(2)에서 반사되어 결상되고(위치C), 또한 그 반사광이 메타 머티리 얼 광학 소자(30)의 표면[광선 굴곡면(1)]에서 굴절되어 외부로 사출되어 위치D에 있어서 결상된다. 여기서, 전술한 제1 실시 형태의 광학 시스템(X1)과 마찬가지로, 메타 머티리얼 광학 소자(30)의 표면에 대한 경면(2)의 면 대칭 위치에, 실제로는 존재하지 않는 가상 거울(3)을 고려하면, 위치A에 있어서의 피투영물(O)과 위치D'에 있어서의 상은 가상 거울(3)에 대하여 면 대칭의 관계에 있다. 즉, 본 실시 형태의 광학 시스템(X2)을 이용함으로써도, 아무것도 존재하지 않는 공중에 거울에 비춘 것 같이 피투영물(O)의 상을 관찰할 수 있게 된다.Here, the imaging modality using the optical system X2 of this embodiment is demonstrated with the path | route of the light emitted from the to-be-projected object O. FIG. In this optical system X2, the light emitted from the projected object O (position A) is refracted to the same side as the incident light on the surface (ray curved surface 1) of the metamaterial optical element 30, and the metamaterial optical It proceeds inside the element 30, is reflected and imaged on the mirror surface 2 (position C), and the reflected light is refracted by the surface (ray curved surface 1) of the metamaterial optical element 30 to be external Is injected to form an image at position D. Here, similarly to the optical system X1 of the above-described first embodiment, the virtual mirror 3 which does not actually exist at the plane symmetry position of the mirror surface 2 with respect to the surface of the metamaterial optical element 30 is considered. On the lower surface, the projected object O at the position A and the image at the position D 'have a plane symmetry relation with respect to the virtual mirror 3. That is, even when using the optical system X2 of this embodiment, the image of the to-be-projected object O can be observed as if it reflected in the mirror in the air where nothing exists.

또한, 평면 거울(20)의 배치 위치 및 그 경면(2)의 배치 각도는, 광선 굴곡면(1)을 입사광 및 출사광이 모두 투과하는 한 임의이며, 예를 들어 도 8의 (b)에 도시한 바와 같이, 경면(2)이 메타 머티리얼 광학 소자(30)의 표면[광선 굴곡면(1)]과 평행해지도록 평면 거울(20)을 배치하는 것도 가능하다. 이와 같이, 메타 머티리얼 광학 소자(30)를 사용한 광학 시스템(X2)에서는, 광선 굴곡면(1)과 경면(2) 사이에 있어서 입사광 및 출사광이 통과하는 영역이 균질한 메타 머티리얼로 충전되어 있으면 되기 때문에, 도시예와 같이 메타 머티리얼 광학 소자(30)를 직육면체 형상의 블록 형상을 이루는 것으로 하여, 광선 굴곡면(1)과 대향하는 면에 경면(2)을 밀착시키도록 평면 거울(20)을 설치한다고 하는 형태를 채용할 수 있다.In addition, the arrangement | positioning position of the planar mirror 20 and the arrangement | positioning angle of the mirror surface 2 are arbitrary as long as both incident light and an exiting light transmit the light-beam curved surface 1, For example, to FIG. 8 (b) As shown in the figure, it is also possible to arrange the planar mirror 20 so that the mirror surface 2 is parallel to the surface of the metamaterial optical element 30 (the ray curved surface 1). As described above, in the optical system X2 using the metamaterial optical element 30, as long as the region through which the incident light and the outgoing light pass between the light curved surface 1 and the mirror surface 2 is filled with a homogeneous metamaterial. Thus, the planar mirror 20 is formed such that the metamaterial optical element 30 is formed into a rectangular parallelepiped block shape as shown in the example, and the mirror surface 2 is brought into close contact with the surface facing the beam curved surface 1. Form to install can be adopted.

또한 본 발명의 제3 실시 형태는, 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, 광학 시스템(X3)을, 어포컬 입체 광학 소자(40)와, 평면 거울(20)로 구성한 것이다. 어포컬 입체 광학 소자(40)는 하나의 어포컬 광학계인 어포컬 렌즈(41)를 복수, 어레이 형상으로 배치한 광학부(42)로서 구비하고 있다. 어포컬 렌즈(41)는 제1 렌즈 요소(411) 및 제2 렌즈 요소(412)를 동일 광축(t) 상에 배치하고, 그들의 초점 거리를 이격한 위치로 이격시켜 배치하고 있다. 이 어포컬 입체 광학 소자(40)는 어포컬 렌즈(41)의 제1 렌즈 요소(411)의 입사 렌즈면을 어레이 형상으로 배열하여 동일 평면 상에 배치하고, 또한 제2 렌즈 요소(412)를 출사 렌즈면으로 하여 어레이 형상으로 배열하여 동일 평면 상에 배치함으로써, 복수의 어포컬 렌즈(41)로 광학부(42)를 구성하고 있다. 또한, 어포컬 렌즈(41)의 입사면(41a) 및 출사면(41b)은 각각 동일 평면 상에 배치된 제1 렌즈 요소(411) 및 제2 렌즈 요소(412)의 초점 거리가 되는 위치에 형성되게 되어, 복수의 제1 렌즈 요소(411) 또는 제2 렌즈 요소(412)의 초점 거리가 되는 위치에 연속하여, 즉 광학부(42)의 전방측 및 후방측의 전체면에 형성된 것으로 하여 도시된다. 여기서 본 실시 형태에서는, 제1 및 제2 렌즈 요소를 동일 광학축(t) 상에 배치하고, 또한 제1 렌즈 요소의 후방측 초점과 제2 렌즈 요소의 전방측 초점이 일치하는 위치에 각각 배치한 것을 어포컬 광학계[어포컬 렌즈(41)]로 한다.In addition, in the third embodiment of the present invention, as shown in Figs. 9 and 10, the optical system X3 is composed of an afocal stereoscopic optical element 40 and a planar mirror 20. The afocal three-dimensional optical element 40 is provided with the optical part 42 which has arrange | positioned the several afocal lens 41 which is one afocal optical system in an array form. The afocal lens 41 arrange | positions the 1st lens element 411 and the 2nd lens element 412 on the same optical axis t, and arranges them with the focal length spaced apart. The afocal stereoscopic optical element 40 arranges the incidence lens surfaces of the first lens element 411 of the afocal lens 41 in an array to be disposed on the same plane, and also arranges the second lens element 412. The optical part 42 is comprised by the several afocal lens 41 by arrange | positioning in an array shape as an output lens surface, and arrange | positioning on the same plane. Incidentally, the incident surface 41a and the exit surface 41b of the afocal lens 41 are positioned at the focal lengths of the first lens element 411 and the second lens element 412 disposed on the same plane, respectively. Are formed on the entire surface of the front side and the rear side of the optical part 42 in succession to a position which becomes the focal length of the plurality of first lens elements 411 or the second lens elements 412. Shown. Here, in this embodiment, the 1st and 2nd lens element are arrange | positioned on the same optical axis t, and also arrange | positioned in the position where the back side focus of a 1st lens element and the front side focus of a 2nd lens element correspond, respectively. One is called an afocal optical system (afocal lens 41).

본 실시 형태에서는, 어포컬 렌즈(41)를 구성하는 제1 렌즈 요소(411)와 제2 렌즈 요소(412)로서 어느 것이든 볼록 렌즈를 이용한 형태를 기재한다. 도 10에 도시한 바와 같이, 어포컬 광학계를 구성하는 제1 렌즈 요소(41)와 제1, 2 렌즈 요소를 동일 광학축(t) 상의 위치(공축 위치)의 관계로 하여, 서로 초점 거리(fs, fe)를 이격시킨 상태로 배치하여 어포컬 렌즈(41)로 하고 있다. 어포컬 입체 광학 소자(40)는 각 어포컬 렌즈(41)의 광학축(t)에 있어서의 광선에 주목하면, 각 렌즈 요소에 의해 형성되는 각 요소 화상에 있어서의 광선이 모인 광선군 전체로서, 입 체 광학상을 형성하게 된다. 초점 거리(fs, fe)가 동등할 경우, 이 입체 광학상은, 피투영물의 광선 굴곡면에 대한 면 대칭 위치에 결상되게 된다.In this embodiment, the form which used a convex lens as both the 1st lens element 411 and the 2nd lens element 412 which comprise the afocal lens 41 is described. As shown in Fig. 10, the focal lengths (a) are formed by a relationship between the first lens element 41 and the first and second lens elements constituting the afocal optical system (coaxial position) on the same optical axis t. fs and fe are arranged in a spaced apart state to form the afocal lens 41. When the afocal stereoscopic optical element 40 pays attention to the light rays on the optical axis t of each afocal lens 41, the afocal stereoscopic optical element 40 is a whole light ray group in which the light rays in each element image formed by each lens element are collected. As a result, a stereoscopic optical image is formed. When the focal lengths fs and fe are equal, this stereoscopic image is formed at a plane symmetrical position with respect to the light curved surface of the projected object.

평면 거울(20)은, 제2 렌즈 요소(412)의 제1 렌즈 요소(411)와는 반대측에 있어서, 어포컬 입체 광학 소자(40)에 의한 입체 광학상의 결상 위치보다도 앞[제2 렌즈 요소(412)에 가까운 위치]에, 경면(2)이 제1 렌즈 요소(411) 및 제2 렌즈 요소(412)의 광학축(t)과 거의 수직이 되도록 배치된다.The planar mirror 20 is located on the side opposite to the first lens element 411 of the second lens element 412, before the image forming position of the stereoscopic image by the afocal stereoscopic element 40 [second lens element ( At a position close to 412, the mirror surface 2 is arranged to be substantially perpendicular to the optical axis t of the first lens element 411 and the second lens element 412.

여기서, 본 실시 형태의 광학 시스템(X3)을 사용한 결상 양식을, 피투영물(O)로부터 발해진 광의 경로와 함께 설명한다. 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, 피투영물(O)로부터 발해지는 광(화살표 방향, 실선으로 나타낸다)은 어포컬 입체 광학 소자(40)를 투과할 때에, 우선 입사면(41a)에 입사 각도(φs)로 입사되어 각 제1 렌즈 요소(411)에서 굴절되고, 또한 제2 렌즈 요소(412)에서 굴절되어 출사면(41b)으로부터 출사 각도(φe)로 출사된다. 단, fs와 fe가 동등할 경우에는, φs와 φe는 동등한 각도로 된다. 이 출사광은, 경면(2)이 존재하지 않으면, 어포컬 입체 광학 소자(40)의 광선 굴곡면(1)에 대하여 피투영물(O)의 면 대칭 위치(위치B)에 결상되나, 경면(2)의 존재에 의해 당해 경면(2)에서 반사되어 위치B에 있어서의 상의 경면(2)에 대한 면 대칭 위치(위치C)에 결상된다. 이 위치C에 있어서의 상을 형성하는 광은, 다시 어포컬 입체 광학 소자(40)에 있어서의 출사면(41b)에 각도(φe)로 입사되고, 제2 렌즈 요소(412)에서 굴절되는 동시에 제1 렌즈 요소(411)에서 굴절되어 입사면(41a)으로부터 각도(φs)로 출사된다. 그리고, 경면(2)의 광선 굴곡면(1)에 대한 면 대칭 위치에 형성되는 가상 거울(3)에 대하여 피투영물(O)을 비춘 경우와 동일한 위치D에, 피투영물(O)의 실상(가상적인 거울상)이 결상되게 된다. 상의 관찰은, 제1 렌즈 요소(411) 및 제2 렌즈 요소(412)의 광학축 방향으로부터 제1 렌즈 요소(411)를 향하여 행한다. 즉, 본 실시 형태의 광학 시스템(X)을 이용함으로써도, 아무것도 존재하지 않는 공중에 마치 거울에 비춘 것 같이 피투영물(O)의 상을 관찰할 수 있게 된다.Here, the imaging modality using the optical system X3 of this embodiment is demonstrated with the path | route of the light emitted from the to-be-projected object O. FIG. As shown in FIG. 9 and FIG. 10, when the light emitted from the projected object O (shown by an arrow direction and a solid line) passes through the afocal stereoscopic optical element 40, first, it enters the incident surface 41a. It is incident at an angle φ s and refracted at each first lens element 411, and is also refracted at the second lens element 412 and exits from the exit surface 41b at an exit angle φ e. However, when fs and fe are equal, phi s and phi e become an equal angle. This exiting light is imaged at the plane symmetry position (position B) of the projected object O with respect to the ray curved surface 1 of the afocal stereoscopic optical element 40 when the mirror surface 2 does not exist. By the presence of 2), it is reflected by the said mirror surface 2, and is imaged at the surface symmetry position (position C) with respect to the mirror surface 2 of the image in position B. FIG. The light forming the image at this position C is again incident at an angle? E on the exit surface 41b of the afocal stereoscopic optical element 40, and is refracted by the second lens element 412. It is refracted by the first lens element 411 and exits at an angle phi s from the incident surface 41a. The actual image of the projected object O is located at the same position D as when the projected object O is illuminated with respect to the virtual mirror 3 formed at a plane symmetrical position with respect to the light curved surface 1 of the mirror surface 2 ( An imaginary mirror image is formed. The observation of the image is performed from the optical axis direction of the first lens element 411 and the second lens element 412 toward the first lens element 411. In other words, even when the optical system X of the present embodiment is used, the image of the projected object O can be observed as if reflected in a mirror in the air where nothing exists.

또한, 본 실시 형태는, 어포컬 광학계로서 상술한 바와 같이 제1 및 제2 렌즈 요소로 볼록 렌즈와 볼록 렌즈를 이용한 것 외에도, 광파이버 렌즈와 광 파이버 렌즈를 이용한 것 등을 적용할 수 있다.In addition, in the present embodiment, in addition to using a convex lens and a convex lens as the first and second lens elements as described above as the afocal optical system, an optical fiber lens and an optical fiber lens can be used.

본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것이 아니다. 또한, 각 부의 구체적 구성에 대해서도 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지 변형이 가능하다. This invention is not limited to embodiment mentioned above. In addition, the specific structure of each part is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible in the range which does not deviate from the meaning of this invention.

본 발명의 광학 시스템은, 3차원을 포함하는 물체의 거울 영상을, 실체로서는 존재하지 않으나, 공중에 가상적으로 존재하는 거울에 비춘 경우의 위치에 결상시키는 디스플레이 장치로서 이용할 수 있다.The optical system of the present invention can be used as a display device in which a mirror image of an object including three dimensions is imaged at a position where it is reflected by a mirror virtually existing in the air but not present as an object.

Claims (7)

광을 굴곡시키면서 투과시켜서 면 대칭 위치에 실상의 결상 작용을 갖는 광선 굴곡면과, 당해 광선 굴곡면을 향하여 배치되는 경면을 구비하고,A light curved surface that transmits light while bending and has an actual image forming action at a plane symmetrical position, and a mirror surface disposed toward the light curved surface, 상기 광선 굴곡면을 사이에 두고 상기 경면과는 반대측인 관찰측에 배치한 피투영물의 상을, 당해 피투영물 자체가 발하는 광 또는 피투영물에서 반사된 광이 상기 광선 굴곡면을 투과하여 상기 경면에 반사되고 또한 상기 광선 굴곡면을 투과함으로써, 상기 경면을 상기 광선 굴곡면에 대한 면 대칭 위치로 이동시켰다고 가정한 경우의 (실제로는 실체가 없는) 가상 거울에 비춘 위치에 결상시키는 것을 특징으로 하는, 광학 시스템.The light projected by the projected object itself or the light reflected from the projected object is transmitted to the mirror surface with the image of the projected object disposed on the observation side opposite to the mirror surface with the light curved surface interposed therebetween. By reflecting and penetrating the ray curved surface, the mirror surface is imaged at a position reflected in a virtual mirror (actually virtual) when the mirror surface is moved to a plane symmetrical position with respect to the ray curved surface. Optical system. 제1항에 있어서, 상기 광선 굴곡면을 구비한 광학 소자로서, 서로 직교하는 2개의 경면 요소를 구비한 단위 광학 소자를 복수 평면적으로 형성하여 이루어지는 반사형 면 대칭 결상 소자를 구비하고, 당해 반사형 면 대칭 결상 소자는, 상기 복수의 단위 광학 소자의 광선 굴곡면의 일측으로부터 타측으로 통과하는 광을 각 단위 광학 소자에 있어서 2개의 경면 요소에서 각각 반사시킴으로써 상기 광선 굴곡면의 타측에 결상시키는 것이며, 상기 2개의 경면 요소를 지나 또한 이들 2개의 경면 소자에 수직 혹은 그에 가까운 각도를 이루는 면을 상기 광선 굴곡면으로 하고 있는, 광학 시스템.2. An optical element having the curved line of light, according to claim 1, comprising a reflective planar symmetric imaging element formed by forming a plurality of planar unit optical elements each having two mirror surfaces orthogonal to each other. The plane symmetric image forming element is to form an image on the other side of the light curved surface by reflecting light passing from one side of the light curved surface of the plurality of unit optical elements to the other side in each of the two mirror surface elements in each unit optical element, And said ray curved surface is a plane passing through said two mirror elements and angled at or perpendicular to said two mirror elements. 제2항에 있어서, 상기 반사형 면 대칭 결상 소자는, 소정의 기판을 두께 방 향으로 관통시킨 복수의 구멍을 구비하고, 각 구멍의 내벽에 상기 직교하는 2개의 경면 요소로 구성되는 단위 광학 소자를 형성한 것이며, 상기 구멍을 통하여 기판의 한 쪽의 면 방향으로부터 다른 쪽의 면 방향으로 광이 투과할 때에, 2개의 경면 요소에서 각각 1회씩 반사시키는 것인, 광학 시스템.The unit optical element according to claim 2, wherein the reflective surface symmetric imaging element has a plurality of holes through which a predetermined substrate is passed in a thickness direction, and is composed of two mirror surfaces elements orthogonal to the inner wall of each hole. And reflects the light once in each of the two mirror elements when light passes through the hole from one surface direction of the substrate to the other surface direction. 제2항에 있어서, 상기 반사형 면 대칭 결상 소자는, 소정의 기판을 두께 방향으로 돌출시킨 복수의 투명한 통 형상체를 구비하고, 각 통 형상체의 내벽면에 상기 직교하는 2개의 경면 요소로 구성되는 단위 광학 소자를 형성한 것이며, 상기 통 형상체를 통하여 기판의 한 쪽의 면 방향으로부터 다른 쪽의 면 방향으로 광이 투과할 때에, 2개의 경면 요소에서 각각 1회씩 반사시키는 것인, 광학 시스템.The said reflective surface symmetric imaging element of Claim 2 is equipped with the several transparent cylindrical body which protruded the predetermined board | substrate in the thickness direction, and consists of two mirror surface elements orthogonal to the inner wall surface of each cylindrical body. The unit optical element comprised is comprised, and when light transmits from one surface direction of the board | substrate to the other surface direction through the said cylindrical body, it reflects once in each of two mirror surface elements, optical system. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 단위 광학 소자를, 상기 기판에 있어서 규칙적인 격자 형상으로 형성하고 있는, 광학 시스템.The optical system according to claim 3 or 4, wherein the unit optical element is formed in a regular lattice shape on the substrate. 제1항에 있어서, 상기 광선 굴곡면을 구비한 광학 소자로서, 상기 피투영물을 배치한 공간과 접하는 면을 평면적인 상기 광선 굴곡면으로 한 메타 머티리얼 광학 소자를 구비하고, 상기 메타 머티리얼 광학 소자는 적어도 상기 광선 굴곡면과 상기 경면 사이를 메타 머티리얼로 충전한 것으로 하고 있는, 광학 시스템.The optical element provided with the said light curved surface, Comprising: The metamaterial optical element which provided the surface which contact | connected the space which arrange | positioned the said projected object as the said planar curved surface of light, The said metamaterial optical element An optical system, wherein at least between the beam curved surface and the mirror surface is filled with a meta material. 제1항에 있어서, 상기 광선 굴곡면을 구비한 광학 소자로서, 제1 렌즈 요소와, 제2 렌즈 요소를 동일 광학축 상에 배치한 어포컬 광학계로 하고, 상기 제1 렌즈 요소를 어레이 형상으로 배열하여 동일 평면 상으로 하는 동시에, 상기 제2 렌즈 요소를 어레이 형상으로 배열하여 동일 평면 상으로 한 복수의 당해 어포컬 광학계를 갖는 광학부를 구비하는 어포컬 입체 광학 소자이며, 상기 어포컬 광학계는 상기 제1 렌즈 요소 및 상기 제2 렌즈 요소를 당해 제1 렌즈 요소로부터 입사된 평행 광선을 당해 제2 렌즈 요소의 전방측 초점에 집광하는 위치에 배치한 어포컬 입체 광학 소자를 구비하고, 상기 제1 렌즈 요소와 상기 제2 렌즈 요소의 중간 위치에 있어서 상기 광학축에 수직을 이루는 면을 상기 광선 굴곡면으로 하고 있는, 광학 시스템.2. An optical element having a beam curved surface according to claim 1, wherein an optical element having a first lens element and a second lens element disposed on the same optical axis is used, and the first lens element is arranged in an array. And an optical unit having a plurality of the above-mentioned afocal optical systems arranged in the same plane and arranged on the same plane, and arranged in an array shape. An afocal stereoscopic optical element having a first lens element and a second lens element positioned at a position for condensing parallel light rays incident from the first lens element to a front focus of the second lens element; The optical system in which the ray curved surface is a surface perpendicular to the optical axis at the intermediate position between the lens element and the second lens element.
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